مظلات الفضاء الأسرع من الصوت

لقد اعتدنا على حقيقة أن المظلة هي ما يتم الكشف عنه في المرحلة الأخيرة من الهبوط. لكن هذا يحدث في ظروفنا الأرضية. كثافة الغلاف الجوي كافية للقبة لإبطاء معدل الانخفاض. وبعد ذلك ، يتم تعليم أفراد المظليين على اتخاذ الموقف الصحيح حتى لا يكسروا أرجلهم ، وتكمن التقنية في امتصاص الصدمات القابلة للنفخ أو محركات الهبوط الناعمة التي تعمل في الثواني الأخيرة. ولكن في النظام الشمسي على الأجرام السماوية ، تعمل الظروف المختلفة وأحيانًا المظلات في الدور غير العادي للمرحلة الوسيطة من الهبوط. إنها تفتح بسرعة هائلة تفوق سرعة الصوت وفي الشكل والنسب في أحسن الأحوال فقط تذكرنا عن بعد بالقباب الأرضية المألوفة. وللتباطؤ في الجو ، يتم تقديم تصاميم خاصة للغاية.


"الفضول" يسقط بالمظلة ، صورة من كوكب المريخ الاستطلاع / ناسا

قليلا من الفيزياء

المظلي القفز من الطائرة تجربة الجاذبية صفر فقط في اللحظات الأولى. تزداد قوة مقاومة الهواء بما يتناسب مع مربع السرعة ، وسرعان ما سيصل عابد القفز الجوي إلى السرعة المحددة للسقوط ، عندما تكون قوة الجاذبية والسحب الديناميكي الهوائي متوازنة. تعتمد المقاومة على شكل الجسم ، لذلك بالنسبة لساق القفز المظلي النموذجي الذي يسقط في طبقة التروبوسفير ، تبلغ سرعة السقوط المحددة حوالي 50 م / ث ، وفي المرحلة الأولى من فالكون 9 ، قبل آخر دورة تشغيل للمحرك والهبوط ، تكون حوالي 300 م / ث. وترتبط هذه السرعات في أنها دون سرعة الصوت. حتى مرحلة Falcon 9 ، التي تنخفض رأسيًا والمكابح على الأقل ، تبطئ بشكل مستقل عن سرعة الصوت حتى قبل تشغيل المحرك في النهاية. ولتحطيم الرقم القياسي للسرعة في السقوط الحر ، اضطر Felix Baumgartner إلى الصعود على منطاد الستراتوسفير على ارتفاع 39 كم تقريبًا ، حيث يكون الجو نادرًا ويتأخر السقوط.


اوريون مركبة الفضاء المظلة تتدفق حولها ، المصدر

تم اختيار شكل المظلة التي اعتدنا عليها بشكل تجريبي لخلق أقصى مقاومة بأقل مساحة. وإذا نظرنا إلى كيف يتدفق الهواء حول مظلة عادية دون سرعة الصوت ، سنرى صورة واضحة إلى حد ما - تعمل مظلة المظلة كعقبة أمام حركة الهواء. يتدفق الهواء جزئيًا حول القبة ويشكل خلفه منطقة من الظل الهوائي الديناميكي الكبير مع دوامات. حركة الهواء الأسرع في الوسط هي نتيجة ثقب مصمم خصيصًا بحيث لا تتأرجح القبة.


تدفق المقدرة والفعلية حول المظلة الأسرع من الصوت ، دوامة الصورة

في السرعة الأسرع من الصوت ، تتغير طبيعة التدفق حول الجسم المتحرك في الهواء بشكل جذري. تتشكل موجة صدمة أمامها (موجة صدمة). أظهرت الاختبارات الأولى أن القباب العادية أصبحت غير مستقرة ، وكان من الضروري زيادة نفاذية القبة وتجربة شكلها. أيضًا ، يتأثر تشغيل القبة بالاضطراب من مقدمة الحمولة الصافية ، من الضروري تحديد الطول الصحيح للخطوط حتى لا تبدأ القبة في الانهيار.


سلوك المظلات اعتمادا على سرعة ونفاذية النسيج. المنطقة أدناه - أرجوحة المظلة ، الخط المتقطع - المنطقة التي تنهار المظلة وتملأ مرة أخرى

في ظل الظروف الأرضية ، تعمل المظلات على تقليل السرعة من العشرات (50 للمظلي ، و 90 للمركبة الفضائية سويوز) إلى وحدات متر في الثانية. على سبيل المثال ، تبلغ سرعة Soyuz SA على ارتفاع يتراوح بين 9 و 11 كم سرعة محدودة تبلغ 240 م / ث ، وتطفئها إلى 90 م / ث مع مظلة فرامل صغيرة تبلغ 14 م 2 وتفتح المظلة الرئيسية. في آخر متر من الهبوط ، تنخفض Soyuz SA بسرعة 9 م / ث ، وتوفر القبة المستديرة المعتادة D-1-5u حوالي 5 م / ث. كلتا هاتين السرعتين عالية بما يكفي لتكون خطرة إذا تم لمس السطح بلا مبالاة ، لذلك يتم تعليم الغواصين على القفز للحفاظ على أقدامهم معًا ، وتشمل Soyuz SA محركات فرامل خاصة للهبوط اللين.


شعلة DMP يعمل بشكل جميل جدا. صورة "Soyuz MS-11" ، صورة ناسا / بيل إنغالز

هل من الممكن الاستغناء عن محرك هبوط ناعم؟ إذا حاولت زيادة المساحة ، وبالتالي كتلة القبة ، لتقليل سرعة الانخفاض ، فعندما تصبح السرعة الآمنة كبيرة بشكل غير عقلاني. لا يزال هناك خيار لوضع السفينة على الماء (عطارد ، الجوزاء ، أبولو ، أوريون) ، إذا دخلت السفينة الماء بزاوية ، فعندها تعمل مثل ممتص الصدمات. يمكنك أيضًا نفخ الأكياس الهوائية (Boeing Starliner).

وعلى سطح المريخ ، يكون الضغط أقل بمقدار 160 مرة من الضغط على سطح الأرض ، لذلك بالنسبة للمرحلة الأخيرة من مظلات الهبوط ، لا يوجد بالتأكيد ما يكفي - إذا قمت بنقل مظلي أرضي في المعدات القياسية إلى المريخ ، ثم بعد فتح القبة ، فسوف ينكسر ، ليصل إلى السطح بسرعة تبلغ حوالي 60 م / ث ( 200 كم / ساعة) السرعة القصوى لسقوط المظليين قبل فتح القبة للمريخ ست مرات أكبر من الأرض - حوالي 280 م / ث (بالقرب من السطح). إنها أعلى من سرعة الصوت على المريخ - ~ 244 م / ث.

نتيجة لذلك ، يختلف الهبوط على سطح المريخ عن العودة إلى الأرض. في المرحلة الأولى ، تقلل مركبة الهبوط السرعة من عدة كيلومترات في الثانية إلى حوالي 400 م / ث ، في مظروف هوائي مع درع حراري. ثم يتم فتح المظلة الأسرع من الصوت ، مما يركب مركبة الهبوط لحوالي 60-100 م / ث. وأخيرًا ، تتميز المرحلة الثالثة والأخيرة من الهبوط بأكبر مجموعة من الحلول التقنية - تنحدر الأجهزة على محركاتها (Vikings و MARS InSight و Skiaparelli) ، وهي محشوة بمحركات يمكن إعادة ضبطها والأرض في امتصاص الصدمات القابلة للنفخ (مارس باثفايندر ، روفرز / سبيريتيفيتيون) ) ، السقوط على السطح تحت منصة خاصة على محركات الصواريخ (Curiosity) ، والمركبات الخفيفة تعمل بدون محركات الفرامل (Beagle-2) أو ، عند الكبح ، تقع على ممتص الصدمات ("Mars-3").

إعادة استخدام الإبداعية

واجه كل من اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية والولايات المتحدة الأمريكية ، على وشك إرسال أجهزة للهبوط بسهولة على سطح المريخ ، مهمة اختبار أنظمتها. وإذا كان سلوك الحماية الحرارية معروفًا بالفعل من خلال اختبارات الرؤوس الحربية للصواريخ العابرة للقارات والمركبات العائدة من مدار الأرض ، ويمكن التحقق من المرحلة الأخيرة من الهبوط من خلال إسقاط الأجهزة من طائرة هليكوبتر ، فيجب اختيار ظروف خاصة للتحقق من تشغيل المظلة الأسرع من الصوت. لحسن الحظ ، يمكن القيام بذلك على الأرض. على ارتفاع يتراوح بين 30 و 40 كيلومتراً ، لا تختلف كثافة الغلاف الجوي كثيرًا عن المريخ ، وباستخدام محركات الصواريخ ، يمكن تفريق منصات الاختبار إلى سرعات تفوق سرعة الصوت. وعلى جانبي المحيط ، توصل المهندسون إلى حلول مماثلة. في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، تم اختبار المظلات الأسرع من الصوت للمريخ من خلال رفعها في الستراتوسفير على صواريخ الأرصاد الجوية M-100B. لقد تبين أن الاختبارات مفيدة ، وتذكر التذكرات ميل الإصدار الأول من المظلة إلى الانهيار بسرعة 3.5M ، وهو ما لاحظوه وتمكنوا من تصحيحه.

في الولايات المتحدة الأمريكية ، كان مقعد اختبار "Viking" أكثر تعقيدًا إلى حد ما - تم رفع الجهاز إلى ارتفاع 36 كم على بالون الستراتوسفير ، ثم تم تفريقه بواسطة محركات الوقود الصلب. حتى إطارات اختبار أغسطس 1972 نجت. لقد كانوا محظوظين - لقد تم نسيان الأفلام في الخزانة التي تم إيقاف تشغيلها وبيعها وفقدت على الإطلاق تقريبًا ، لكن القضية وعشاق الفضاء لم يسمحا لها بالاختفاء.



تم إجراء ما مجموعه 4 اختبارات ، جميعها ناجحة ، ولكن ليس لأنهم كانوا محظوظين على الفور لإيجاد حل تقني مناسب. والحقيقة هي أن برنامج فايكنغ استخدم إنجازات الستينيات لإنشاء مظلات للمركبات الفضائية - برنامج مظلات دخول الكواكب (PEPP) ، ومبطئ دخول الكواكب فوق الصوتي (SPED) وتجربة المظلات فوق الصوتية العالية الارتفاع (SHAPE) ، واختبار الرحلات الجوية كانت فقط قمة برنامج الاختبار ، بما في ذلك اختبارات نفق الرياح ، واختبارات رمي ​​، واختبارات قاذف البيرو.

تم إجراء ما مجموعه 16 رحلة تجريبية في PEPP و SPED و SHAPE ، منها 11 رحلة ناجحة فقط.استنادا إلى التجارب السابقة ، تم اختبار الأنواع الثلاثة الواعدة من القباب - الحلبة ، والصليبي ، ونوع شريط فجوة القرص (القرص - فجوة النطاق ، DGB).


اختبارات قبة الصليب

أثبت النوع الأخير ، DGB ، أنه الأنسب من حيث قوة الفرامل والاستقرار للنشر الأسرع من الصوت. كان هو الذي بدأ وضعه على أجهزة ناسا في العقود التالية.


اختبار DGB Dome

ليس المريخ واحد

سوف يسأل القارئ اليقظ: "ولماذا المحادثة فقط عن المريخ؟ ماذا عن الكواكب الأخرى؟ " المريخ هي الساحة الأكثر شيوعا لمظلة الأسرع من الصوت ، ولكنها ليست الساحة الوحيدة. وإذا كنت تفكر في كوكب الزهرة ، فقد كنت مخطئًا - فغلافه الجوي كبير لدرجة أن سيارات الهبوط قد تباطأت إلى سرعات دون سرعة الصوت حتى قبل أن تفتح المظلة ، وظروف الهبوط في المظلة مماثلة لتلك الأرضية. كانت سرعة الصوت على كوكب الزهرة حوالي 410 م / ث ، وأول جهاز ، يتناقص في غلافه الجوي ، "فينوس -4" ، فتح مظلة بالمظلة بسرعة حوالي 210 م / ث. تم استخدام المظلة الأسرع من الصوت عند الهبوط على تيتان. علاوة على ذلك ، مع الأخذ بعين الاعتبار الخصائص الجوية لساتل ساتورن ، تم استخدام حل تقني فضولي على مسبار هيجنز الأوروبي: في البداية ، بسرعة 400 م / ث (بالنسبة لشركة تايتان تبلغ مساحتها حوالي 2 مليون) ، يتم فتح المظلة الأسرع من الصوت. وبعد 15 دقيقة يتم إعادة ضبطها ، وتفتح المظلة الكبح / الهبوط. والحقيقة هي أن منطقة المظلة الأسرع من الصوت تصبح بسرعة زائدة ، ويمكن أن يتجمد المسبار قبل الوصول إلى السطح. لذلك ، توفر المظلة الثانية لمنطقة أصغر سرعة أولية من الهبوط تبلغ 94 م / ث ، والتي تنخفض إلى السطح إلى 4.7 م / ث بسبب زيادة في كثافة الغلاف الجوي.


هيغنز النزول إلى تيتان

في الذكرى العشرين للبعثة ، تم نشر مظلة لتصوير قناة ديسكفري.


نظم دوامة الصورة

سيشاهد القارئ اليقظ في هذه الصورة تخطيط DGB-to-Band-D المعروف بالفعل. في الواقع ، كانت التقنيات المطورة على أجهزة المريخ مفيدة في زاوية مختلفة تمامًا عن النظام الشمسي.

بما أننا نتحدث عن الأجهزة الأوروبية ، يمكننا أن نتذكر "Schiaparelli" ، التي تحطمت في المرحلة النهائية ، ولكن تمكنت من الفرامل المظلة الأسرع من الصوت على DGB بنجاح.


صور وكالة الفضاء الأوروبية

نفخ الصحون الطائرة

لم تتغير قوانين الفيزياء ، ويمكن استخدام المظلة DGB الآن ، ولكن للأجهزة الصغيرة نسبيًا. ثم تبدأ المنطقة غير المستكشفة - في الستينيات فشل الاختبار الوحيد مع حمولة تزيد عن طن. يمكن الفوز بقليل من سعة الرفع عن طريق استخدام مواد المظلة والحبال الجديدة ، لكن الفضول اقترب من حد الأمان الذي يمكن أن توفره التكنولوجيا القديمة. لكنني أريد أن الهبوط على المريخ الأجهزة الثقيلة على نحو متزايد. تحتاج إلى الخروج بشيء جديد. مثل هذا المشروع التجريبي كان المبطئ الأسرع من الصوت منخفض الكثافة (LDSD). هنا يحاولون تنفيذ تغييرين في وقت واحد. بادئ ذي بدء ، يتم تغيير المظلة DGB إلى بنجي مستديرة. ثانياً ، لمزيد من التباطؤ ، تزداد مساحة الغلاف الجوي عن طريق تضخيم "طوق" الحلقي.


صورة ناسا

سيتعين على النظام الجديد توفير هبوط على مسبار المريخ 2-3 طن. ولكن في تجربتين اندلعت المظلة. كان من المتوقع الثالث في عام 2016 ، ولكن حتى الآن لم يسمع أي شيء عنه.





لذلك لا يزال بإمكان المظلة في روفر 2020 أن تسجل رقما قياسيا ، فتفتح في 0.4 ثانية وتحمل ذروة الحمل البالغة 37 طنا ، ولكن الهبوط بشيء أثقل من روفر 2020 ، لن يؤدي ببساطة إلى زيادته.


الكشف عن المظلة Rover 2020

طوق هدب

تعتمد فكرة "طوق" فتح LDSD على نهج مختلف اختلافًا جذريًا ، عندما يتم استخدام الريشة القابلة للنفخ بدلاً من المظلة المعتادة. وهنا آخر مرة في الوقت المناسب ستكون عدة اختبارات روسية بدرجات متفاوتة من النجاح. في عام 2000 ، دخلت كتلة الداعم Frigate والكبسولة بالأدوات في المدار. استعدوا للدخول إلى الغلاف الجوي ، وفتحوا الكرات قبل دخول طبقاتها الكثيفة. من "الفرقاطة" ، وجدوا فقط دبابات من التيتانيوم ، لكن الكبسولة ، على الرغم من فشل "ذوي الياقات البيضاء" الأوسع ، نجت من السقوط. في عامي 2001 و 2002 ، للأسف ، لم يتمكنوا من العثور على حمولة. في بداية عام 2005 ، اتصلت طاولة الاختبار ، بعد أن اجتازت مرحلة الكبح في سحابة البلازما ، ولكن بعد 23 ثانية ، كانت صامتة ولم يمكن العثور عليها في منطقة السقوط. على الرغم من عدم وجود تجارب ناجحة بالكامل ، سميت المنظمة غير الحكومية باسمها لدى لافوشكينا و SIC التي تحمل اسم Babakin آمال كبيرة في هذا المفهوم. على الجانب الآخر من المحيط ، في ناسا ، هناك مشاريع مماثلة LOTFID و HIAD-2.


كتلة التسارع "Frigate" مع "الريشة" ، رسم توضيحي لمركز الأبحاث الذي سمي باسم G.N. Babakina

تحدي 2020

في عام 2020 ، لن تذهب المركبة الفضائية "ناسا روفر" فحسب ، بل وأيضاً وحدة Exomars الروسية الأوروبية ، والتي ستتضمن مركبة روزاليند فرانكلين ومنصة القوزاق ، إلى المريخ. ميزة مثيرة للاهتمام من منصة الهبوط ، 80 ٪ منها يجعل المنظمات غير الحكومية لهم. Lavochkina ، هما المظلات. أولاً ، سيتم فتح النوع الأسرع من الصوت من DGB ، فعندما تصبح السرعة دون سرعة الصوت ، ستفتح مظلة دائرية ثانية يبلغ قطرها 35 متراً ، وهي الأكبر في تاريخ دراسة المريخ.


صورة ESA

وفقا لآخر الأخبار ، ظهرت فجوات في كلا المظليين خلال اختبار حديث. لم تكن كافية لجعل جهد الكبح غير كافٍ ، ولكن المشكلة تحتاج بالطبع إلى إصلاح. لحسن الحظ ، لا يزال هناك وقت لذلك - Exomars 2020 ستطير في يونيو 2020.

استنتاج

تظل المظلات فعالة بسبب وزنها المنخفض. وحتى إذا كانت المركبة الفضائية SpaceX ، التي يُقترح لها استخدام الأجنحة والمحركات عند الهبوط ، تبدأ في الهبوط بنجاح على المريخ ، فإن التحقيقات غير المأهولة ستستخدم التقنيات التي أثبتت جدواها لفترة طويلة - المظلة الأسرع من الصوت بالإضافة إلى الكبح من السرعة المنخفضة نسبياً هي أكثر فائدة من الكتلة على المكابح الحصري للمحركات مع الأسرع من الصوت.

المواد المعدة للبوابة N + 1 ، المنشورة في النسخة الأصلية.